← Классификация химических реакций

Тепловой эффект, фаза, катализатор и обратимость

Четыре признака, которые чаще всего встречаются в задании на классификацию.

3. Типы реакций по энергетическому эффекту

В зависимости от того, выделяется или поглощается теплота, выделяют экзотермические и эндотермические превращения.

3.1. Экзотермические процессы (+Q)

Сопровождаются высвобождением тепловой энергии в окружающую среду. Характерные примеры: большинство реакций соединения, горение, нейтрализация, взаимодействие щелочных металлов с водой, алюминотермия.

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + Q
2H2 + O2 → 2H2O + Q
N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 + Q
2Al + Fe2O3 → 2Fe + Al2O3 + Q
NaOH + HCl → NaCl + H2O + Q
2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑ + Q
CaO + H2O → Ca(OH)2 + Q
(NH4)2Cr2O7 → Cr2O3 + N2↑ + 4H2O + Q

Исключения (эндотермические соединения):

N2 + O2 → 2NO − Q
H2 + I2 → 2HI − Q

3.2. Эндотермические процессы (–Q)

Протекают с поглощением тепловой энергии из окружающей среды. Характерные примеры: большинство разложений, гидролиз, электролиз, фотолиз, термический крекинг.

CaCO3 → CaO + CO2↑ − Q
2H2O → 2H2↑ + O2↑ − Q
3O2 → 2O3 − Q
Cu(OH)2 → CuO + H2O − Q
C10H22 → C5H10 + C5H12 − Q
CH4 → C + 2H2 − Q

Вопрос 1: Поиск экзотермических реакций

Проверка

Выберите все экзотермические реакции из перечисленных: 1) горение аммиака, 2) разложение воды, 3) реакция нейтрализации, 4) синтез оксида азота(II) из простых веществ.

Ответ: 1 и 3.

Пояснение: Горение и нейтрализация сопровождаются сильным выделением тепла (+Q). Синтез NO (из азота и кислорода) — это знаменитое исключение ЕГЭ, он идет с поглощением тепла (-Q), как и подавляющее большинство реакций разложения.

Вопрос 2: Принцип Ле Шателье

Проверка

Как влияет повышение температуры на равновесие обратимой эндотермической реакции?

Ответ: Смещает равновесие в сторону продуктов реакции (вправо).

Пояснение: По принципу Ле Шателье система противится внешнему воздействию. При нагревании равновесие всегда смещается в сторону процесса, протекающего с поглощением тепла (то есть эндотермического).

4. Типы реакций по агрегатному состоянию участников

Вещества способны пребывать в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. По этому признаку химические превращения подразделяют на:

4.1. Гомогенные процессы

Все участники и продукты находятся в одной фазе, поэтому взаимодействие частиц происходит во всём объёме системы. К гомогенным относят взаимодействия типа жидкость + жидкость и газ + газ.

2SO2(г) + O2(г) → 2SO3(г)
N2(г) + 3H2(г) ⇌ 2NH3(г)
CH4(г) + 2O2(г) → CO2(г) + 2H2O(г)
H2(г) + Cl2(г) → 2HCl(г)
NaOH(р-р) + HCl(р-р) → NaCl(р-р) + H2O

4.2. Гетерогенные процессы

Участники и продукты находятся в разных фазах, а взаимодействие частиц происходит только на границе раздела этих фаз. К гетерогенным относят взаимодействия типа: газ + жидкость, газ + твёрдое, твёрдое + твёрдое, твёрдое + жидкость.

CO2(г) + Ca(OH)2(р-р) → CaCO3↓ + H2O
Zn(тв) + 2HCl(р-р) → ZnCl2(р-р) + H2↑
CaCO3(тв) → CaO(тв) + CO2↑
2Al(тв) + Fe2O3(тв) → 2Fe + Al2O3
Fe(тв) + CuSO4(р-р) → FeSO4(р-р) + Cu↓

Вопрос 1: Отличие фаз

Проверка

Выберите все гомогенные реакции: 1) $2CO_{(г)} + O_{2(г)} \rightarrow 2CO_{2(г)}$; 2) $C_{(тв)} + O_{2(г)} \rightarrow CO_{2(г)}$; 3) $NaOH_{(aq)} + HCl_{(aq)} \rightarrow NaCl_{(aq)} + H_2O_{(ж)}$.

Ответ: 1 и 3.

Пояснение: Гомогенная реакция протекает в одной фазе. Смесь газов (1) и раствор (3) не имеют поверхности раздела фаз. Реакция твердого угля с кислородом (2) идет на границе раздела фаз, поэтому она гетерогенная.

Вопрос 2: Влияние измельчения

Проверка

Для какой из реакций увеличение площади поверхности соприкосновения реагентов (измельчение) приведет к увеличению скорости? 1) $N_2 + 3H_2 \rightleftarrows 2NH_3$; 2) $Zn_{(тв)} + 2HCl_{(р-р)} \rightarrow ZnCl_2 + H_2$.

Ответ: 2) Растворение цинка в кислоте.

Пояснение: Увеличение площади поверхности ускоряет только гетерогенные реакции, так как они идут на границе раздела фаз. Синтез аммиака — гомогенный процесс в единой газовой фазе, там нечего измельчать.

5. Типы реакций по участию катализатора

Катализатор — вещество, которое увеличивает скорость превращения, но не расходуется и не входит в конечные продукты. Он временно связывается с реагентами, а затем высвобождается.

Важно!

Упрощённая схема действия катализатора К:
A + K → AK
AK + B → AB + K

5.1. Каталитические процессы

Превращения, протекающие при участии катализатора.

2KClO3 → 2KCl + 3O2↑ (MnO2)
2SO2 + O2 ⇌ 2SO3 (V2O5)
N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 (Fe)
2H2O2 → 2H2O + O2↑ (MnO2)
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O (Pt)

5.2. Некаталитические процессы

Превращения, протекающие без добавления катализатора.

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
NaOH + HCl → NaCl + H2O
Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑
BaCl2 + Na2SO4 → BaSO4↓ + 2NaCl
2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑

5.3. Ферментативные процессы

Биохимические превращения в живых клетках идут при участии особых белковых катализаторов — ферментов. Такие превращения называют ферментативными.

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2↑ (зимаза)
H2O2 → H2O + ½O2 (каталаза)

Вопрос 1: Каталитические процессы

Проверка

Какие из перечисленных процессов в промышленности являются каталитическими? 1) Синтез аммиака; 2) Обжиг пирита; 3) Получение $SO_3$ из $SO_2$.

Ответ: 1 и 3.

Пояснение: Синтез аммиака катализируется губчатым железом, а окисление сернистого газа в производстве серной кислоты — оксидом ванадия(V). Обжиг пирита идет очень быстро при нагревании без всякого катализатора.

Вопрос 2: Роль ферментов

Проверка

Какова функция ферментов в живом организме с химической точки зрения?

Ответ: Они действуют как высокоспецифичные биологические катализаторы.

Пояснение: Ферменты снижают энергию активации биохимических реакций, позволяя им протекать с огромной скоростью при обычной температуре тела. Каждый фермент обычно катализирует только одну конкретную реакцию.

6. Типы реакций по направлению протекания

6.1. Обратимые процессы

Могут идти как в прямом, так и в обратном направлении: образовавшиеся продукты способны вновь превращаться в исходные вещества при тех же условиях. Типичные обратимые превращения: большинство гомогенных газовых реакций, этерификация, гидролиз, гидратация ⇌ дегидратация.

N2 + 3H2 ⇌ 2NH3
2SO2 + O2 ⇌ 2SO3
CO + H2O ⇌ CO2 + H2
H2 + I2 ⇌ 2HI
C2H5OH + CH3COOH ⇌ CH3COOC2H5 + H2O
Обратимые реакции
Рис. 3. Обратимые реакции

6.2. Необратимые процессы

Протекают преимущественно в одном направлении: продукты практически не способны вернуться к исходным веществам при данных условиях.

Важно!

Признаки необратимости: горение, взрывы, выпадение осадка ↓, выделение газа ↑, образование воды.

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑
BaCl2 + Na2SO4 → BaSO4↓ + 2NaCl
Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + H2O + CO2↑
AgNO3 + NaCl → AgCl↓ + NaNO3
H2 + F2 → 2HF

Вопрос 1: Условия необратимости

Проверка

Выберите признаки, при которых реакция ионного обмена идет необратимо до конца: 1) образование растворимой соли, 2) выпадение осадка, 3) выделение газа, 4) образование сильной кислоты.

Ответ: 2 и 3 (а также образование малодиссоциирующего вещества, например воды).

Пояснение: Если продукт покидает сферу реакции (улетает, выпадает в осадок), реакция идет до конца. Если же образуются только растворимые сильные электролиты (1, 4), реакция обратима и равновесие не смещено.

Вопрос 2: Комплексная характеристика

Проверка

К какому типу реакций относится промышленный синтез аммиака ($N_2 + 3H_2 \rightleftarrows 2NH_3$)? Выберите все верные характеристики.

Ответ: Реакция соединения, ОВР, экзотермическая, гомогенная, каталитическая, обратимая.

Пояснение: Это классический пример из ЕГЭ, который нужно уметь характеризовать по всем классификационным признакам без исключения.